Modelarea Numerica a Inundatiilor

Pentru realizarea modelului numeric al inundatiilor s-a folosit aplicatia HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center – River Analysis System), programul fiind elaborat de catre US Army Corps of Engineers. Aplicatia HEC-RAS este un sistem care permite analiza unidimensionala a miscarii apei in rau. Modelul poate efectua calculul suprafetei libere a apei in miscare permanenta, gradul variata si nepermanenta pe rauri in regim natural sau amenajat.

Pentru curgerea permanenta HEC-RAS foloseste ecuatia urmatoare:

Unde:

, – adancimile apei in sectiunile transversal 1 si 2 [m];

, – cotele geodezice ale talvegului [m];

, – vitezele medii pe sectiune (debit / aria de curgere) [m/s];

, – coeficientii lui Coriolos de neuniformitate a vitezelor;

g- acceleratia gravitationala [m/];

hr- pierderea totala de sarcina intre sectiunile 1 si 2 [m].

Pentru calculul pierderilor de sarcina programul HEC-RAS foloseste formulele lui Chezy si Manning corespunzatoare miscarilor uniforme, chiar daca miscarea este gradual-variata sau nepermanenta.

v = C = * *

Unde:

C- coeficientul lui Chezy [m1/2/s];

R- raza hidraulica [m]

I = 1 – panta hidraulica egala cu panta patului albiei;

n- coeficientul de rugozitate;

K- modulul de debit [m3/s].

In HEC-RAS terminologia, un “Proiect” este reprezentata de un pachet de fisiere associate datelor unui sistem particular de rauri care urmeaza sa fie analizat din punct de vedere hydraulic. Fisierele de date care alcatuiesc un proiect sunt clasificate dupa cum urmeaza:

Datele planului,

Datele geometrice,

Datele curgerii in regim permanent,

Datele curgerii in regim nepermanent,

Datele privind scurgerea sedimentelor,

Proiectarea datelor hidraulice.

Fiecare “Plan” reprezinta o asociere a unor seturi specific de date geometrice si date de curgere (date hidrologice). Odata ce datele de baza (datele privind geometria albiei sistemului de rauri si datele curgerii – hidrologice) sunt introduce in modelul HEC-RAS, modelatorul poate foarte usor sa formuleze planuri de lucru corespunzatoare diverselor variante de amenajare pe care doreste sa le analizeze. Dupa efectuara calculelor hidraulice, rezultatele corespunzatoare diverselor variante de amenajare pot fi comparate simultan atat in format tabular cat si in format grafic.

Fig. Interfata HEC-RAS

Atunci cand se lanseaza in executie programul HEC-RAS, va apare o fereastra ca in figura de mai sus. In partea de sus a ferestrei principale este o bara de meniu cu urmatoarele optiuni:

“File” – Aceasta optiune este utilizata pentru managementul fisierelor de lucru. Prin intermediul optiunilor disponibile sub meniul “File” se pot realize: deschiderea unui proiect nou, deschiderea unui proiect existent, salvarea, salvarea cu alt nume, redenumirea, stergere unui proiect existent, precum si importare sau exportare a datelor de intrare/iesiere;

“Edit” – Aceasta optiune este utilizata pentru introducerea si editarea datelor. Datele sunt impartite in patru tipuri: Date Geomtrice (Geometric Data), Datele curgerii in regim permanent (Steady Flow Data), Datele curgerii in regim nepermanent (Unsteady Flow Data) si Datele de Sediment (Sediment Data – optiune indisponibila);

“Run” – Aceasta optiune este utilizata pentru a executa calculele hidraulice. Optiunile de sub acest meniu sunt Steady Flow Data Analysis, Unsteady Flow Analysis, Sediment Analysis si Hydraulic Desing Function.

“View” – Aceasta optiune contine un set de tehnici cu ajutorul carora se pot prezenta grafic si tabular datele de iesire ale modelului. Meniul “View” include urmatoarele puncte: Cross Sections, Water Surface Profiles, General Profile Plot, Rating Curves, X-Y-Z Perspective Plots, Stage and Flow Hydrografs, Hydraulic Propeties Plots, Detalied Output Tabeles, Summary Tabeles si Summary Err, Warn, Notes.

“Options” – Aceasta optiune permite schimbarea optiunilor de stare a programului, sa seteze paramentrii impliciti, sa stabileasca Sistemul de Unitati de Masura si sa converteasca valorile diverselor date dintr-un Sistem de Masura in altul.

“Help” – Aceasta optiune permite sa se obtina informatii privind tipul si modul de introducere a datelor primare precum si modul de utilizare a datelor sau a optiunilor, etc.

Pentru dezvoltarea unei aplicatii cu modelul HEC-RAS este necesar sa se parcurga urmatoarele etape:

Introducerea numelui proiectului;

Introducerea datelor geomtrice;

Introducerea datelor curgerii (datele hidrologice) si a conditiilor limita;

Executarea calculelor hidraulice;

Vizualizarea si printarea rezultatelor.

Creaarea unui proiect in bazinul hidrografic Nuntasi

Crearea proiectului

Prima etapa in dezvoltarea unei aplicatii cu HEC-RAS consta in stabilirea directorului de lucru si a titului noului proiect. Pentru a crea un nou proiect se apeleaza la meniul “File” din fereastra principal a HEC-RAS si se selecteaza optiunea “New project”. Pe ecran va apare o fereastra de dialog ca in figura (de mai jos)

In fereastra “New Project” se selecteaza drive-ul si directorul in care se doreste sa se dezvolte noul proiect. Se introduce titlul proiectului si numele fisierului. Numele fiserului noului proiect are extensia “.prj”.

Inainte de introducerea datelor privind geometria albiei si a datelor curgerii s-a selectat Sistemul De Unitati De Masura Metric ( sunt posibile doua sisteme de lucru: English sau Metric. Aceasta etapa se realizaeaza prin selectarea optiunii “Unit System” din meniul “Option” din fereastra meniului principal al HEC-RAS.

Fig. Deschiderea unui proiect

Introducerea datelor geometrice

Urmatoarea etapa in dezvoltarea unei aplicatii HEC-RAS o reprezinta introducerea datelor privind geometria albiei retelei hidrografice.

IMAGINE CU SCHEMA RAULUI.

Acestea constau in: informatii privind conexiunea retelei hidrografice (River System Schematic), datele profilelor transversal, datele prvind caracteristicile lucrarilor hidrotehnice (poduri, podete, deversoare, etc.), daca acestea exista. Datele geometrice s-au introdus prin selectarea optiunii “Geometric Data” din meniul “Edit” din fereastra principal a HEC-RAS. In cazul apliactiei B.H. Nuntasi, pe ecran apare o fereastra de lucru ca in figura IMAGINE CU SCHEMA RAULUI.

Dupa realizarea schemei sistemului de rauri, urmatorul pas in introducerea datelor privind geometria albiei consta in introducerea datelor profilelor transversal si a datelor caracteristice ale lucrarilor hidrotehnice.

Profile transversal

Profilele transcersale trebuie sa fie ridicate, astfel incat sa caracterizeze capacitatea de scurgere a albiilor compuse. De asemenea este necesar sa fie introduce profilele transversal in sectiunile representative ale scurgerii, cum ar fi: confluente, schimbare de debit, schimbare de forma a albiei, rupere de panta, schimbare de rugozitati, precum si in vecinatatea diferitelor constructii (poduri, stavilare, praguri, etc.)

Selectand cu ajutorul mouse-ului optiunea “Cross Section” pe ecran va apare editorul profilelor transversal ca in figura (trb sa pun imagine)

Fiecarui profil transversal trebuie sa-i fie associate numele raului Nuntasi (River name), numele sectorului de rau (Reach name), denumirea profilului transversal (River Station) si o scurta descriere (Description). Acestea sunt necesare pentru a descrie unde este localizat profilul transversal in reteaua hidrografica. Identifactorul “River Station” trebuie sa aiba o valoare numerica. Sectiunile profilelor transversal sunt ordonate pe sectorul de rau din amonte catre aval.

Datele profilelor transversal constau in perechi de coordinate (x,y) reprezentand valorile distantelor si cotelor statiilor ce alcatuiesc descrierea profilului transversal. Perechile de coordinate (x,y) este necesar sa fie introduse in ordine crescatoare sau egale (pereti verticali) de la stanga la dreapta privind in sensul directiei de curgere a apei. In cazul B.H. Nuntasi, profilele au fost realizate in ArcGIS si exportate in HEC-RAS.

Pentru a caracteriza diin punct de vedere hydraulic, un profil transversal trebuie sa-i fie specificate distant fata de sectorul de rau sau profilul aval, valorile coeficientilor Manning, pozitia malurilor raului si a valorilor coeficientilor de contractie si expansiune utilizati pentru a evalua pierderile de energie dintre sectiunea amonte si aval. Pentru acceptarea acestor date este necesar ca dupa introducerea lor sa fie selectat butonul “Apply Data”.

Prin intermediul optiunilor din meniul “Plot” pot fi printate reprezentarile grafice ale oricarui profil transversal.

TREBUIE SA PUN IMAGINEA UNUI PROFIL TRANSVERSAL

Miscarea permanenta

In cazul in care se doreste efectuarea unor calculi hidraulice in miscare permanenta se apeleaza optiunea “Steady Flow”, iar pe ecran va aparea o fereastra ca in figura

Figura Introducerea datelor de intrare

Pentru derularea aplicatiei se introduce urmatoarele date: numarul debitelor de calcul, valorile debitelor (minim un debit pentru fiecare sector de rau), conditiile la limita necesare. Prima data, trebuie sa se introduca numarul debitelor de calcul si apoi valorile acestor debite (fig…). Datele debitelor vor trebui introduse din amonte in aval pentru fiecare sector de rau. Schimbarile de debit vor fi introduse prin selectarea butonului “Add Flow Change Location” numai dup ace a fost selectat raul, sectorul de rau si locatia sectiunii transversal unde se doreste sa se faca o schimbare de debit.

Dup ace toate datele hidrologice au fost introduse urmatorul pas consta in introducerea conditiilor la limita necesare. Pentru introducerea conditiilor la limita se selecteaza butonul “Reach Boundary Conditions” din partea dreapta-sus a ferestrei ce permite editarea datelor hidrologice.

Conditiile la limita sunt necesare pentru a stabili nivelul initial al apei la capatele sectoarelor de rau analiate. In cazul regimului de curgere lent este necesar sa fie introduse conditii la limita numai in capatul aval al sistemului de rauri analizat. Daca regimul de curgere analizat este unul rapid, atunci este necesar sa se introduca conditii la limita numai in capatul amonte al retelei hidrografice. Pentru regimul de curgere mixt este necesar sa se introduca conditii limita la ambele capete ale sistemului de rauri.

Cele patru tipuri de conditii la limita care se pot introduce, dup ace s-a selectat locatia cu ajutorul mouse-ului, constau in:

“Known Water Surface Elevation” – aceasta conditie la limita este necesar sa se introduca cota curbei suprafetei libere a apei corespunzatoare fiecarui debit de calcul;

“Critical Depth” – aceasta conditie permite calcularea adancimii critice pentru fiecare debit de calcul si o va utilize ca conditie la limita;

“Normal Depth” – pentru acest tip de conditie la limita, trebuie sa se introduca panta energetic care va fi utilizata pentru calculul adancimii normale (ecuatia Manning’s) in locatia respective. Daca nu se cunoaste panta energetic se poate aproxima prin introducerea, fie a pantei suprafetei libere a apei fie a pantei talvegului.

“Rating Curve” – atunci cand este utilizat acest tip de conditie la limita pe ecran va apare o fereastra care contine un tabel in care vor trebui introduse perechi de valori cote – debit corespunzatoare cheii limnimetrice din sectiunea respective.

O optiune suplimentara a editorului conditiilor la limita consta in faptul ca se pot specifica tipuri diferite de conditii la limita pentru fiecare debit de calcul din aceeasi locatie. Aceasta se realizaeaza prin selectarea optiunii “Set boundary for one profile at a time”, din partea de sus a ferestrei.

Dupa ce conditiile la limita au fost introduse se revine la editorul datelor curgerii in miscare permanenta.

Sub meniul “Option” din fereastra editorului datelor curgerii sunt disponibile o serie de optiuni care ne ajuta in introducerea si configurarea acestor date. In figura nr……. sunt prezentate aceste optiuni. Pentru ca datele introduse privind curherea apei in miscare permanenta sa fie acceptate este necesar sa fie selectat butonul “Apply Data”. Datele curgerii in miscare permanenta vor fi salvate in fisiere a caror extensie va incepe cu litera “f”.

Rezultate si discutii

Datele de intrare in modelul HEC-RAS sunt impartite in doua categorii:

Cele referitoare la geometria raului si anume raul, malurile raului, sectiuni; acestea au fost create in mediu SIG si apoi exportate in HEC-RAS;

Cele referitoare la valorile debitului maxim; aceste valori sunt determinate din studiul hidrologic si calculate pentru probabilitatile 2%, 1%, 0.5%, 0.1% (56 mc/s, 86 mc/s, 226 mc/s, 342mc/s);

In ceea ce priveste conditiile de calcul, pentru raul Nuntasi am ales urmatoarele optiuni:

Miscarea apei este permanenta;

Regimul de curgere este lent

Conditiile la limita; “nivel normal”